專利名稱：貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種貨車安全監(jiān)控方法，特別是關于一種貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測 方法。
背景技術：
貨車在運輸貨物時，因其裝載貨物的種類和重量不同，其質(zhì)心高度時常變化。 若質(zhì)心高度較高、車速較快，貨車在彎道行駛時很容易發(fā)生側(cè)翻事故，造成重大 人員傷亡和財產(chǎn)損失。由此，國內(nèi)外正在積極開展研究貨車的運行安全與監(jiān)控技 術，例如智能車速系統(tǒng)，即根據(jù)道路條件和車輛性能參數(shù)實現(xiàn)對車輛速度地自動 控制，從而使得車輛能夠安全地通過彎道；又比如基于車路協(xié)調(diào)的安全控制技術， 通過車路通訊信息、車載雷達信息、車輛運動狀態(tài)信息等，實時判斷車輛的運行 安全狀態(tài)，利用車載安全執(zhí)行裝置如電子輔助制動裝置使車輛能夠以安全的速度 運行。對于這些安全技術來說，車輛自身性能參數(shù)是建立正確安全控制算法的基 礎，而車輛的質(zhì)心高度又是這些參數(shù)中最為重要的參數(shù)之一，對車輛質(zhì)心高度的
辨識則是最終能否實現(xiàn)車輛安全控制的關鍵，所以對車輛質(zhì)心高度的動態(tài)監(jiān)測具 有重要意義。
目前對貨車質(zhì)心高度的檢測技術主要是利用稱重儀、巻尺、角度儀等儀器對 貨車質(zhì)心高度進行靜態(tài)測量，即必須在貨車靜止于稱重儀器上時才能對其質(zhì)心高 度進行測量，并且當貨車載重量及貨物種類變化時還必須重復上述過程才能獲取 其新的質(zhì)心高度。因此，對于目前的貨車質(zhì)心高度的檢測技術而言，主要存在以 下問題第一，由于貨車裝載的貨物種類與重量時常變化，所以現(xiàn)有的檢測技術 沒有針對性，當裝載的貨物發(fā)生變化時就難以獲知其實際質(zhì)心高度；第二，現(xiàn)有 技術檢測出的貨車質(zhì)心高度很難保證它的實時準確性，從而導致基于此質(zhì)心高度 所建立的車輛安全控制算法不準確，因此無法有效保障貨車在彎道上地安全運行。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠在貨車行駛過程中實時、準確 檢測其質(zhì)心高度的貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案 一種貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測方 法，它包括以下步驟1)設置一貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測裝置，它包括方向盤轉(zhuǎn)角 測量裝置、橫擺角速度測量裝置、傾角測量裝置和包括有單片機的電子控制單元; 所述單片機內(nèi)的固化程序設置有質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊；2)采集方向盤轉(zhuǎn)角
3信號，貨車沿垂向的橫擺角速度信號，貨車車廂的側(cè)傾角度信號，貨車后軸的側(cè) 傾角度信號，貨車的縱向車速信號；3)通過所述質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊，計 算出貨車質(zhì)心高度，返回步驟2)。
所述貨車質(zhì)心高度的計算式如下
、- A ("I = (" _ & W + "
，)=士 {1 - 2 (一 o州+g ， 1)
辟)-Z/(/t-l) + g(A:)e(A:)
式中，A表示第k步采樣時刻，^("為貨車理論穩(wěn)態(tài)橫擺角速度信號，"(A) 為貨車車速信號，L為貨車軸距，^q為依據(jù)步驟2)中采集到的方向盤轉(zhuǎn)角信號 計算所得的貨車前輪轉(zhuǎn)角信號，C為貨車的穩(wěn)定性因數(shù)，A("為校正穩(wěn)態(tài)橫擺角 速度，A為權系數(shù)， (it)為橫擺角速度，^為貨車側(cè)向加速度，OWi。Wl為 建立的車輛穩(wěn)態(tài)側(cè)傾模型，g為重力加速度，//("為k時刻的貨車質(zhì)心高度，e(k) 為k-l時刻的估計誤差，、為貨車懸架的側(cè)傾角剛度，"t)為貨車車廂的側(cè)傾角 度信號，p。("為貨車后軸的側(cè)傾角度信號，//(A-l)為k-l時刻的貨車質(zhì)心高度， A。為貨車車廂底部至路面的高度，/n為貨車質(zhì)量，Q(k)為增益矩陣，i^A-l)為k-l 時刻的對陣矩陣，e為遺忘因子，P(k)為k時刻的對陣矩陣。
0("和戶("均為lxl矩陣，尸(0)=1， /f(0) = 1.5m， g取9.8m/s2， s取0.99， /z。取0.536m，、取6739Nm/deg。
本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明根據(jù)貨車載重貨
物的不同，彎道的曲率不同，貨車的質(zhì)心高度也不同的原理，提出了實時動態(tài)檢
測貨車質(zhì)心高度，以實現(xiàn)對最高車速控制的方式。2、本發(fā)明通過設置在貨車上的
檢測裝置對貨車的各種動力學參數(shù)進行實時采集，并通過設置在單片機內(nèi)的動態(tài) 檢測算法模塊對質(zhì)心高度進行計算，因此可以實時得到精確的貨車質(zhì)心高度。3、
本發(fā)明可以根據(jù)實時計算出的質(zhì)心高度，通過軟件計算出貨車側(cè)翻的最高限速， 因此不但可以通過提醒駕駛員減速的方式控制側(cè)翻事故的發(fā)生，而且可以通過設 置輔助制動裝置(比如真空助力器和電子液壓輔助制動裝置等)，自動強行制動的方式，實現(xiàn)對貨車的自動安全控制，避免交通事故的發(fā)生。4、本發(fā)明方法使用的測量裝置和控制單元基本上采用的都是車輛安全控制中的原有設備，對車輛質(zhì)心高度的檢測幾乎不需添加額外的測量裝置。本發(fā)明可以廣泛用于各種貨車的行車安全控制過程中。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖
圖2是本發(fā)明的傾角測量裝置安裝位置示意圖
圖3是本發(fā)明電子控制單元的電路原理圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
本發(fā)明方法包括以下步驟
1) 如圖l所示，設置一貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測裝置，它包括方向盤轉(zhuǎn)角測量
裝置1、橫擺角速度測量裝置2、傾角測量裝置3和包括有單片機Ul的電子控制單元(Electronic Control Unit) ECU4;單片機Ul內(nèi)的固化程序設置有質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊。
2) 采集方向盤轉(zhuǎn)角信號，貨車沿垂向的橫擺角速度信號，貨車車廂的側(cè)傾角度信號，貨車后軸的側(cè)傾角度信號，貨車的縱向車速信號。
3) 通過質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊，計算出貨車質(zhì)心高度，返回步驟2)。步驟l)和2)中，方向盤轉(zhuǎn)角測量裝置l采用一方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，其固定
安裝于貨車方向盤下方的轉(zhuǎn)向柱上，其用于檢測方向盤轉(zhuǎn)角信號并輸送給ECU4，且輸送給ECU4的信號為兩路模擬電壓信號， 一路用于判斷方向盤轉(zhuǎn)動的方向及圈數(shù)，另一路用于判斷方向盤在該圈內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度。在本實施例中，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器是BI公司的LH3-SX-4300A型轉(zhuǎn)角傳感器，最大輸入電壓為16V，量程為-900° +900°，可抗10g的沖擊力，適用于車載環(huán)境，方向盤轉(zhuǎn)角測量裝置l也可以采取各種類型的傳感器，其安裝位置也是可以變化的。
步驟l)和2)中，橫擺角速度測量裝置2采用一橫擺角速度傳感器，其安裝于貨車車廂底部兩條中軸線的交叉處，其用于檢測貨車沿垂向的橫擺角速度信號并輸送給ECU4，輸送給ECU4的信號為0 5V之間變化的模擬電壓信號。在本實施例中，橫擺角速度傳感器采用BEI公司的LCG50-00100-100型傳感器，額定輸入電壓為5Vdc，量程為±100°"，滿足貨車使用要求，但橫擺角速度測量裝置2的類型不限于此。
如圖2所示，步驟l)和2)中，傾角測量裝置3采用兩傾角儀31、 32，其中傾角儀31安裝在貨車車廂底部縱向中軸線與后軸在車廂上的投影的交叉點處，傾角儀32安裝在后軸的中點處，分別用于檢測貨車車廂的側(cè)傾角度^和貨車后軸的側(cè)傾角度A信號，輸出信號^和A為數(shù)字信號，可以通過傾角儀31、 32上的串口輸送給ECU4。在本實施例中，兩傾角儀31、 32采用Lamshine公司的LAM-TD-45D型單軸傾角傳感器，其內(nèi)置有溫度補償及沖擊抑制模塊，適用于車載環(huán)境，但其中任一傾角儀也可以采用兩個位移傳感器來代替。
如圖3所示，步驟l)和2)中，ECU4包括一單片機U1及相關外圍電路，單片機U1具有三路A/D轉(zhuǎn)換電路，且內(nèi)部設置有一質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊，其將方向盤轉(zhuǎn)角測量裝置1及橫擺角速度測量裝置2輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時接收傾角測量裝置3輸送的數(shù)字信號，且根據(jù)被檢測貨車動力學基本參數(shù)信息，及汽車動力學理論運行貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊內(nèi)的算法計算貨車側(cè)向加速度和質(zhì)心高度。在本實施例中，EUC4中的單片機U1采用摩托羅拉公司生產(chǎn)、型號為MC9S08DZ60的八位單片機，也可以采用其它類似的單片機，在此不作限制。
如圖3所示，步驟1)和2)中，ECU4還包括一端分別連接方向盤轉(zhuǎn)角測量裝置1兩輸出端和橫擺角速度測量裝置2輸出端的三路濾波減噪電路，其另一端分別連接ECU4中單片機Ul的三路A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端ADIN0、 ADIN1和ADIN2。第一路濾波減噪電路輸入的是方向盤轉(zhuǎn)角傳感器1輸出的方向盤轉(zhuǎn)動方向及圈數(shù)的信號，該電路由電容Cll、 C12和電阻R1組成，電容C12與電阻R1串聯(lián)后，得到的串聯(lián)支路與電容Cll并聯(lián)；該并聯(lián)電路的一端接地線，另一端同時連接第一路A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端ADIN0和一二極管Dl的陽極，二極管Dl的陰極連接電源電壓VCC;第二路濾波減噪電路輸入的是方向盤轉(zhuǎn)角測量裝置1輸出方向盤在該圈內(nèi)所轉(zhuǎn)過角度的信號，該電路由電容C13 、 C14和電阻R2組成，電容C14與電阻R2串聯(lián)后，得到的串聯(lián)支路與電容C13并聯(lián)；該并聯(lián)電路的一端接地線，另一端同時連接第二路A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端ADIN1和一二極管D2的陽極，二極管D2的陰極連接電源電壓VCC;第三路濾波減噪電路輸入的是橫擺角速度測量裝置2輸出的信號，該電路由電容C15 、 C16和電阻R3組成，電容C16與電阻R3串聯(lián)后，得到的串聯(lián)支路與電容C15并聯(lián)；該并聯(lián)電路的一端接地線，另一端同時連接第三路A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端ADIN2和一二極管D3的陽極，二極管D3的陰極連接電源電壓VCC。濾波減噪電路用于濾掉模擬信號中的高頻噪聲，以防止后續(xù)A/D采樣過程中發(fā)生信號混疊。濾波減噪電路除上述電容式的濾波電路外，還可以采用其它的電容式濾波電路，在此不限。若采用本實施例中的濾波減噪電路時，電容Cll、 C12、 C13、 C14、 C15和C16為luF的電解質(zhì)電容，也可以是其它類型的電容，當為電解質(zhì)電容時，上述電容的負極接地。電阻R1、 R2和R3為50AQ。二極管D1、 D2和D3用于保證單片機U1中的三路A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端ADINO 、ADIN1和ADIN2的輸入電壓不超過電源電壓VCC。
如圖3所示，步驟1)和2)中，ECU4中還包括一 CAN總線收發(fā)電路連接一貨車原有的車載CAN (Controller Area Network)網(wǎng)絡5，用于從車載CAN網(wǎng)絡5中接收貨車縱向車速信號。該CAN總線收發(fā)電路采用PCA82C250芯片U2作為驅(qū)動器，PCA82C250是專用的CAN驅(qū)動芯片，分別為CAN總線和ECU4提供差動發(fā)送和差動接收能力，并且完成CANH和CANL與CAN總線發(fā)送、接收之間的轉(zhuǎn)換。U2的1腳和4腳分別與單片機Ul的29腳和30腳相連，U2的7腳和6腳分別接車載CAN網(wǎng)絡5的高端CANH和低端CANL，用于接收車載CAN網(wǎng)絡5輸入的貨車縱向車速信號。電容C21和C22并聯(lián)連接構(gòu)成U2的濾波穩(wěn)壓電路，該濾波穩(wěn)壓電路的一端與U2的3腳相連，另一端與U2的2腳相連，同時U2的3腳還與電源電壓VCC相連，U2的2腳與地線相連。
如圖3所示，步驟1)和2)中，ECU4中還包括一串口收發(fā)器電路，該電路采用Max232芯片U3作為串口收發(fā)驅(qū)動芯片，其包括2路發(fā)送器、2路接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平，符合TIA/EIA-232-F標準。其中每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CM0S電平，每一個發(fā)送器將TTL/CM0S電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。本實施例中，U3只采用其中一路發(fā)送器及一路接收器。U3的10腳與單片機Ul的15腳相連，9腳與單片機Ul的16腳相連，7腳與傾角儀31、 32的串口線中的發(fā)送線相連，8腳與傾角儀31、 32的串口線中的接收線相連。U3的1腳和3腳之間連接一電容C31， 1腳接C4的正極；4腳和5腳之間連接一電容C32， 4腳接C32的正極；2腳和16腳之間連接一電容C33， 2腳接C33的正極，且16腳與電源電壓VCC相連；6腳與一電容C34的正極相連，C34的負極接地線；15腳接地線，同時與一電容C35的負極相連，C35的正極與電源電壓VCC相連；U3的其它管腳懸空。本實施例中，U2是德州儀器公司(TI)推出的一款兼容RS232標準的芯片，電容C31、 C32、 C33、 C34和C35為luF的極
性電容，但不限于此。
步驟3)中，記經(jīng)過濾波減噪電路并由單片機U1進行AD釆樣處理后的方向盤轉(zhuǎn)角信號為^L("和橫擺角速度信號為A"0，記由串口接收到的由傾角儀31、32輸出的貨車車廂的側(cè)傾角度為^^和后軸的側(cè)傾角度為^("，記由車載CAN網(wǎng)絡5中接收的貨車縱向車速信號為，其中A表示第k步采樣時刻。計算貨車質(zhì)
心高度，其具體步驟如下
(1) 計算理論穩(wěn)態(tài)貨車橫擺角速度《"":利用車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向模型，根據(jù)實時測量的方向盤轉(zhuǎn)角信號&W計算得到前輪轉(zhuǎn)角信號c^h^^K^，車載CAN網(wǎng)絡
5中接收的貨車縱向車速信號"00，其計算式如下
";l + C"財、'
其中，^為貨車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比，i:為貨車軸距，c為車輛的穩(wěn)定性因數(shù)。本
實施例中，^= 0.049，丄=4. 5m， C=0. 0019 /w2 。
(2) 計算校正穩(wěn)態(tài)橫擺角速度^(":讀取橫擺角速度實際測量值6^("，考慮到橫擺角速度的實際測量存在一定的誤差，因此將實測橫擺角速度值《 ("和理論穩(wěn)態(tài)橫擺角速度值w""進行加權平均，從而得到一個校正橫擺角速度值，其計算式如下
其中，A為權系數(shù)，具體數(shù)值根據(jù)橫擺角速度測量裝置2的精度和具體安裝方式而定，也可由實驗進行標定。本實施例中，取義=0.5。
(3) 計算貨車當前的側(cè)向加速度^^):根據(jù)校正橫擺角速度A("和當前縱向車速"()t)，其計算式如下
(A:) = w(A:).(^(A:)
(4) 估計貨車質(zhì)心高度根據(jù)貨車動力學參數(shù)、、S、 //。、 m，及當前側(cè)向加速度^("和傾角p、 ％，建立車輛穩(wěn)態(tài)側(cè)傾模型如下
、I, - A ("I = (// - /o附[^ (" +
依據(jù)上述車輛穩(wěn)態(tài)側(cè)傾模型，建立車輛質(zhì)心高度i/("的回歸最小二乘估計算
法，其計算式如下
e("4》("-副卜(辟-l)-+ +
g 尸^—1)/^ (w+g.""]
尸(A:)-丄(l一g(A:)附[^(^ + g，(A:)Jp(先一1),)=//("1) +
其中，e("為k-1時刻的估計誤差，0("為第k時刻的增益矩陣，P(A)為第k時刻的對陣矩陣，/f("為質(zhì)心高度估計值，s為遺忘因子，^為貨車車廂底部至路面的高度，、為貨車懸架的側(cè)傾角剛度，m為貨車質(zhì)量，g為重力加速度。本實施例中，0(A:)和戶("均為lxl矩陣，即均為一個單值，的初始值取P(0"1，//("的初始值取"(0)-1.5m， g取9.8m/s2， s取0.99， /z。取0.536m，、取6739Nm/deg。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的較佳實施例和附圖，其目的在于幫助理解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，但是熟悉本領域技術的人員，在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內(nèi)，可作各種替換、變化和潤飾。因此，本發(fā)明不應局限于最佳實施例和附圖所公開的內(nèi)容，本發(fā)明的保護范圍以所附的權利要求書所界定的范圍為準。本發(fā)明能夠在貨車行駛過程中實時、準確檢測其質(zhì)心高度，確保駕駛員行車安全。
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權利要求
1、一種貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測方法，它包括以下步驟1)設置一貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測裝置，它包括方向盤轉(zhuǎn)角測量裝置、橫擺角速度測量裝置、傾角測量裝置和包括有單片機的電子控制單元；所述單片機內(nèi)的固化程序設置有質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊；2)采集方向盤轉(zhuǎn)角信號，貨車沿垂向的橫擺角速度信號，貨車車廂的側(cè)傾角度信號，貨車后軸的側(cè)傾角度信號，貨車的縱向車速信號；3)通過所述質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊，計算出貨車質(zhì)心高度，返回步驟2)。
2、 如權利要求1所述的貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測方法，其特征在于所述貨車 質(zhì)心高度的計算式如下、kW - A ("I=(""。("+w]卿[""+g.""] 2= 1) + G(A:)e(A:)式中，A表示第k步采樣時刻，《 ("為貨車理論穩(wěn)態(tài)橫擺角速度信號， 為貨車車速信號，L為貨車軸距，^"為依據(jù)步驟2)中采集到的方向盤轉(zhuǎn)角信號 計算所得的貨車前輪轉(zhuǎn)角信號，C為貨車的穩(wěn)定性因數(shù)，AO^為校正穩(wěn)態(tài)橫擺角 速度，義為權系數(shù)，t("為橫擺角速度，^為貨車側(cè)向加速度，A》Wi。("l為 建立的車輛穩(wěn)態(tài)側(cè)傾模型，g為重力加速度，//("為k時刻的貨車質(zhì)心高度，e(k)為k-l時刻的估計誤差，、為貨車懸架的側(cè)傾角剛度，^00為貨車車廂的側(cè)傾角度信號，p。("為貨車后軸的側(cè)傾角度信號，l)為k-l時刻的貨車質(zhì)心高度， ;^為貨車車廂底部至路面的高度，m為貨車質(zhì)量，Q(k)為增益矩陣，l)為k-1 時刻的對陣矩陣，s為遺忘因子，P(k)為k時刻的對陣矩陣。
3、如權利要求2所述的貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測方法，其特征在于2W和P(" 均為lxl矩陣，尸(0)=1， //(0) = 1.5m， g取9.8m/s2， s取0.99， /^取0.536m，、取 6739Nm/deg。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測方法，它包括以下步驟1)設置一貨車質(zhì)心高度動態(tài)檢測裝置，它包括方向盤轉(zhuǎn)角測量裝置、橫擺角速度測量裝置、傾角測量裝置和包括有單片機的電子控制單元；所述單片機內(nèi)的固化程序設置有質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊；2)采集方向盤轉(zhuǎn)角信號，貨車沿垂向的橫擺角速度信號，貨車車廂的側(cè)傾角度信號，貨車后軸的側(cè)傾角度信號，貨車的縱向車速信號；3)通過所述質(zhì)心高度動態(tài)檢測算法模塊，計算出貨車質(zhì)心高度，返回步驟2)。本發(fā)明可以根據(jù)實時計算出的質(zhì)心高度，通過軟件計算出貨車側(cè)翻的最高限速，通過提醒駕駛員減速的方式或自動強行制動的方式，實現(xiàn)對貨車的自動安全控制，避免交通事故的發(fā)生。本發(fā)明可以廣泛用于各種貨車的行車安全控制過程中。
文檔編號G01M1/00GK101650248SQ20091016369
公開日2010年2月17日 申請日期2009年8月13日 優(yōu)先權日2008年9月5日
發(fā)明者張德兆, 李克強, 李升波, 王建強, 連小珉 申請人:清華大學